JPH01165936A - 懸濁物濃度検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 Ａ、産業上の利用分野 この発明は、下水の活性汚泥法による処理工程中のＭＬ
ＳＳ（活性汚泥浮遊物質濃度）、余剰汚泥、返送汚泥、
濃縮汚泥等、液中の懸濁物質濃度を測定する装置に関す
る。

Ｂ　発明の概要 本発明は、下水の活性汚泥法による処理工程中の汚泥等
の懸濁物質濃度を測定する装置において、測定対象とな
る検液中に浸漬される散乱光比較式の検出部に設置する
光ファイバ体を、その中心部に断面円形状の光源用光フ
ァイバを配し、その外周部を取り巻くように、断面環状
の光源に近いＮ用光ファイバを同心円状に配し、さらに
、その外周部に所定間隔を置いて、断面環状の光源に遠
いＦ用光ファイバを同心円状に配して形成し、さらに、
そのＮ用光ファイバを通して得られた■、出力を平方し
たものをＦ用光ファイバを通して得られた■２で除する
よう演算処理するようにすることによって、汚泥濃度に
比例した出力を得るようにし、 汚泥濃度の低いものから、比較的高濃度のものまで連続
的に、同一の検出装置によって検出可能とするものであ
る。

Ｃ１従来の技術 一般に、下水処理場では、汚水を活性汚泥法により浄化
処理することか広く行われている。この活性汚泥法は、
汚水を、まず浮遊物を沈澱除去し、次にその溶解性有機
物を微生物により酸化し、又はこの微生物に同化させて
活性汚泥を生成せしめ、次にこの処理水から活性汚泥を
除去することによって清水を得る手段である。

このような活性汚泥法による汚水処理プロセスでは、そ
のプラントシステムの制御のため各処理工程において、
汚泥の濃度を適格に計測検知することが必要不可欠とな
っている。また、各地の下水処理場で生成した汚泥を一
括処理する汚泥処理センタにおいても、送られて来た汚
泥水の固形物量の測定又はそのプラントシステムの制御
のため、汚泥の濃度計測が必要となっている。

このため近年では、超音波を利用した濃度計が用いられ
ている。これは、一対の超音波送受信子の間に汚泥水を
流し、このときの超音波の減衰率より濃度を測定しよう
とするものであり、１０数％の高濃度汚泥でも測定でき
る。しかしながら、このような超音波を利用したものは
、検水中に気泡が含まれていると、この気泡によって超
音波が大きく減衰してしまうため、測定不能となること
がある。

そこで、汚泥のサンプルを加圧タンク内に取り込み、加
圧することによって気泡を液中に溶解させる加圧消泡式
の超音波濃度計が用いられることがある。しかし、これ
も加圧消泡工程中に汚泥が沈降してしまい、正確な測定
ができなくなることかある。また、濃縮汚泥等では、サ
ンプルを濃縮＝４− タンクから引き抜いて測定している間に、パイプライン
内で濃度変化を生じてしまうことがあり、このような間
欠測定ではリアルタイムの正確な情報が得られず、十分
な測定ができない。

よって、このような事情から光学式の濃度計が開発され
用いられるようになって来ている。

このような光学式の濃度計には、透過光式のものと散乱
光比較式のものとがある。

この透過光式の濃度計は、第４図に例示するように、観
測用液槽部１に浮遊物粒子２を含む検水３を流通し、こ
れに光源４から出た光束■０を入射さぜる。そしてこの
入射光束ＩＯが浮遊物粒子２に吸収散乱されて減少した
透過光量■となった光束を受光素子５で受け、これを処
理部６によって測定原理に基づき、計測処理するもので
ある。

この測定原理は、ランベルト・ベールの法則を応用した
ものであり、次式によって表される。

１＝Ｉｏ　　ｅｘｐ（−に＋・ρ・Ｓ）　　　　−・・
■但し、Ｋ、　　定数、ａ：液槽の幅、Ｓ：汚泥の濃度
ここで、上記０式の対数をとり、式を変形すると、下記
の汚泥濃度を求める式を得る。

しかるに、上記０式及びこれをグラフとした第５図から
も解るように、汚泥の濃度Ｓか高くなるに従って、ＪＫ
過光強度■が指数関数的に減少してしまう。

従って、汚泥濃度Ｓが高濃度となると、受光素子５に十
分な光量が入射しなくなり、測定信号が受光素子５の暗
電流、増幅器のドリフトやオフセット変化あるいは信号
ノイズの中にうもれてしまって計測不能となるので、一
般に、この手法による測定範囲の上限は液槽の幅にもよ
るが、略５０００ｙｎｇ／Ｑ、程度であるのが普通であ
る。

また、散乱光式の濃度計は、第６図に例示するように構
成するものである。

すなわち、観測用液槽部１に隣接して、光Ｉｆｉ４を設
置するとともに、この光源４の近傍に距離を異にして２
つの受光素子５ａ、５ｂを設置する。

そして、光源４より出た光か検水３中の浮遊物粒子２に
よって散乱され、この散乱光を距離の異なる２つの位置
にある受光素子５ａ、５ｂで受光し、それぞれの光電流
を各々の増幅部７，７で増幅し、これらの増幅された光
電流を処理部６において対数比をとるよう演算処理し、
出力信号を得るものである。すなわち、光源４により近
い方の受光素子５ａの出力をＩＮ、遠い方の受光素子５
ｂの出力をＩｒとすれば、 Ｉ　Ｎ−ａ　Ｓ　　ｅｘｐ　（−βＮＳ）　　　　”’
■１Ｆ−α５ｅｘｐ（−β、Ｓ）　　　　−■と表ぜる
。

但し、α・光源強度に関する定数 β８．β、各受光素子５ａ、５ｂと光源４との間の距離
及び汚泥の色 に関する定数 Ｓ：Ｆ５泥濃度 これより、０式を０式で除して対数をとると、−（β１
−βＮ）・Ｓ　　　　　　　・・・■となり、汚泥濃度
に比例した出力が得られることが解る。なお、実際の測
定系では、ＩＦの値は汚濃度度の全範囲にわたって、相
対的に小さな値をとるので、回路上で■、出力より相対
的増幅率を大きくする為０式に定数項が残る。従って、
一般的には原点を通らない一次式となり、演算処理の段
階等において、Ｏ補正が必要となるものである。

ところで、上述の０式及び０式は、図示すると、第７図
に例示するようになることが解る。これより、汚泥濃度
Ｓが大きな領域になると、■式、■式の値は、指数関数
的に減少していくので、測定信号が他のノイズ等にうも
れてしまい、計測不能となってしまう。このため、散乱
光方式の濃度計では、一般的に濃度か５０００ｖｒｇ１
０．程度が測定限界となると考えられていた。

なお、より高い汚泥濃度のものを測定可能とするために
は、各受光素子５ａ、５ｂをさらに光源４に接近させ、
第７図に破線（ｒ、及び■′Ｆで示すような特性を持た
せるようにするか、又は光源４から遠い方の受光素子５
ｂのみをさらに光源４に近づけ、第７図に示すところの
ＩＮ、Ｉ’、で示す如き特性を持たせるようにせねばな
らない。ところが、このようにすると、■式、■式の０
次近似がＳに対する原点を通る一次式として表されるこ
とになる。これは、散乱光特性か汚泥の低濃度側で、汚
泥濃度に対して略直線的に変化することを示すものであ
る。

となって、その値か定数となって、出力信号が汚泥の濃
度に追従して変化しなくなってしまい、低濃度側での汚
泥濃度の測定が不能となってしまう。

Ｄ　発明か解決しようとする問題点 以上のように従来は、汚泥濃度を高濃度から低濃度まで
連続的に測定することが困難であるという問題があった
。

さらに、検水３か着色していると、光源４から出た光が
浮遊物粒子２に到達するまで、及びこれに反射されて受
光素子５に到達するまでの光路の間、検水３の着色成分
によって光が吸収され、誤差を生ずるという問題があっ
た。また、その先陣４として一般に用いられているタン
グステンランプは、直流発光をするものなので、外光の
影響を受は測定誤差を生ずることがある。さらに、タン
グステンランプの発光スペクトルは、青から赤、さらに
は赤外線まで広がっており、生物のクロロフィルの吸収
帯とオーバーラツプするので、この光源４に藻が発生し
、投光を弱めるために誤差を生じることがあるという問
題があった。

すなわち、前述した従来の汚泥濃度検出装置は、超音波
式又は光学式のいずれにあっても、微細気泡を含み、か
つ濃度変動が大きい測定対象の濃度測定が極めて困難で
あるという問題があった。

本発明は上述の点に鑑み、微細気泡を含み、かつ濃度変
動の大きな測定対象に対しても誤差を少なく高い精度で
測定し得る濃度検出装置を新たに提供することを目的と
する。

Ｅ９問題点を解決するだめの手段 本発明の懸祠物濃度検出装置は、測定対象となる検液中
に浸漬される散乱光比較式の検出部に設置する光ファイ
バ体を、その中心部に断面円形状の光源用光ファイバを
配し、その外周部を取り巻−１２＝ くように、断面環状の光源に近いＮ用光ファイバを同心
円状に配し、さらにその外周部に所定間隔を置いて断面
環状の光源に遠いＦ月光ファイバを同心円状に配して形
成し、しかも、そのＮ用光ファイバを通して得られた■
、出力と、Ｆ月光ファイバを通して得られたＩＦ出力と
を比較するのに、ＩＮを平方したものを■、で除するよ
う演算処理することによって、汚泥濃度の比例した出力
を得るようにしたことを特徴とする。

Ｆ　作用 上述のように構成することにより、その光源として光を
投射する光源用光ファイバとその散乱。

反射された光を受けるＮ用およびＦ月光ファイバとの実
質的距離を極めて短縮することになって、汚泥濃度の低
いものから、比較的高濃度のものまで連続的に同一の検
出装置によって検出可能とするよう作用を奏するもので
ある。

Ｇ　実施例 以下、本発明の懸濁物濃度検出装置の一実施例を第１図
乃至第３図によって説明する。なお、この第１図乃至第
３図において、第４図乃至第７図に対応する部分には同
一符号を付すこととし、その詳細な説明を省略する。

本例装置の概略全体構成を示す第１図で、１０は検出器
部であり、その検出用頭部１１は、検水３中に入れられ
て使用されるもので、その検出用頭部１１には、バンド
ル光ファイバ体１２が設置しである。

このバンドル光ファイバ体１２は、第２図にも示すよう
に、同心円柱状に形成された先端部端面を、平滑に研磨
して端面１２　ａが形成しである。

そして、この端面］、　２　ａが検出用頭部１１の一側
面から検水３にのそむように配置されるものである。

また、このハンドル光ファイバ体１２は、その中心部に
直径２■の断面円形状な光源用バンドル光ファイバ１３
を配する。さらに、この光源用バンドル光ファイバ１３
に出来るだけ近づけるへく、その外周部を取り巻くよう
に、内径を２ｙｔｔｙ、外径を２．９ｘＩｌとする断面
環状のＮ用（光源に近い受光位置）バンドル光ファイバ
１４を配する。また、このＮ用バンドル光ファイバ１４
の外周には所定厚さの断面環状のスペーサ１５を配し、
さらにその外周を取り巻くように内径３．５ｘｘで、外
径４．１−ｍｕの断面環状のＦ用（光源から遠い受光位
置）ハンドル光ファイバＩ６を配して構成する。

このように構成することにより、光源用バンドル光ファ
イバ１３と、Ｎ用ハンドル光ファイバ１４と、Ｆ用バン
ドル光ファイバ１６の断面積は路間−となる。

また、スペーサ１５の厚さは、光源用バンドル光ファイ
バ１３とＮ用ハンドル光ファイバ１４との両者を初期決
定値とし、これからＦ用バンドル光ファイバ１６の最適
位置を割り出し、これに対応するよう設定したものであ
る。

なお、このＦ用バンドル光ファイバ１６と光源用バンド
ル光ファイバ１３との閂の距離かこれより短くなると、
第３図の曲線１７に示すように、高い汚泥濃度で出力が
飽和する傾向となる。また、逆に距離が離れると、曲線
１８に示すように高い汚泥濃度で出力が異常上昇する傾
向となる。しかるに本例の如き設定構成において、高い
汚泥濃度まで、第３図に直線１９で示すように、直線的
に変化する出力特性が保たれるものである。

また、ハンドル光ファイバ体１２は、第１図に示すよう
に、その光源用バンドル光ファイバ１３の根端部を、光
源である赤外発光タイオート２０にのそまぜる。このよ
うに赤外発光ダイオード２０を光源とすれば、検水３の
溶液色の影響を取り除くことができ、さらに、光源を交
流的に発光させることにより、後の演算処理部において
、外光の影響を除くことかできるものである。

さらに、この光源用ハンドル光ファイバ１３を一部分岐
させ、その根端部を光源用受光素子５Ｇにのぞませるよ
うに構成する。

また、Ｎ用ハンドル光ファイバ１４の根端部をＮ用受光
素子５ａにのぞませる。

Ｆ用バンドル光ファイバ１６の根端部はＦ用受光素子５
ｂにのぞませる。

上述のように構成した検出器部１０には、プリアンプ及
び演算回路よりなる処理部を接続する。

すなわち、光源用受光素子５Ｃには、増幅器２１を接続
し、この光源用受光素子５Ｃて光電変換された出力信号
を比較回路部２２に入力する。そして、この比較回路部
２２において、その入力した信号を基準値と比較し、光
源の光量制御信号を生成し、この制御信号を光源駆動回
路部２３に送るようにする。さらにこの光源駆動回路部
２３ては、適正に制御された電力を赤外発光タイオード
２０に送り、これを駆動して、光源強度に変動を生じな
いよう適正な光量で発光せしめるものである。

なお、ここでは必要に応し交流的に発光せしめるものと
する。このようにして発光された光束は、光源用バント
゛ル光ファイバ１３を通って投射され、その一部が前述
した光源用受光素子５ｃに入射するとともに、その他の
光束は、ハンドル光ファイバ体１２の端面１２ａから検
水３の中に投射される。すると、この投射光は、浮遊物
粒子２に吸収。

散乱されて、その反射された光が端面１２ａにおけるＮ
用ハンドル光ファイバ１４とＦ用バンドル光ファイバ１
６とに入射する。すると、このＮ用ハンドル光ファイバ
１４に入射した光は、この内部を伝わって、Ｎ用受光素
子５ａに入射し、ここで光電変換され、出力信号となっ
て増幅器２４に送られ、ここで増幅され出力■、となっ
て、演算回路２５に入力される。これと同時に、Ｆ用バ
ンドル光ファイバ１６に入射した光は、その内部を伝わ
ってＦ用受光素子５ｂに入射し、ここで光電変換された
出力信号は、増幅器２６に送られ、増幅され出力ＩＦと
なって演算回路２５に入ノＪされる。

なお、ここで、赤外発光ダイオード２０を交流的に発光
させている場合は、各増幅器２４．２６に能動フィルタ
等を設置し、光源発光周波数成分のみを取り出した後、
全波又は半波整流することにより、太陽光、蛍光灯等に
よる比較的低周波成分の外光の影響を除去するように構
成してもよい。

次に、前述のように演算回路２５に入力された各出力Ｉ
Ｎ、ＩＦは、以下のように演算処理される。

−α・５ｅｘｐ（（βＦ−２βＮ）・Ｓ）・・・■−２
０＝ ここで、上記０式のＮ用受光素子５ａとＦ用受光素子５
ｂとの受光位置を適当に調整することにより、（βＦ−
２βＮ）−〇とすることかできる。これより、」１弐〇
は、 と表すことかできることになる。

従って、■式より解るように、汚泥の色の影響を受ける
ことなく、汚泥濃度の計測ができることとなる。ただ、
この■式でもαの項か残るので、原理的には光源強度の
一次の影響を受けることになるが、これは前述したよう
に光源強度を一定にするような制御回路を内蔵すること
により結局αも定数となる。さらに赤外発光ダイオード
２０を交流的に発光させるようにした場合には、信号成
分として交流散乱光のみを取り出すので、外光の影響を
受けないようにできるものである。

また、」二連の０式の如き演算手段によれば、汚泥濃度
が低濃度の領域において、各散乱光強度が汚泥濃度に対
して線形（リニア）に変化する場合であっても、この演
算の内容は、 −（原点を通る一次式） として表されることになるので、この散乱光特性が汚泥
濃度に追従して変化することになり、この汚泥の低濃度
領域まで連続的に測定できるものである。

また、この演算回路２５に入力される出力ＩＮは、光源
となる光源用バント′ル光ファイバ１３に対する外周部
に最も接近した位置（実質的投受光器間の距離が短くな
る位置）において受光された信号に基づくから、各散乱
光強度を大きくとれると同時に、？ｒ５泥濃度に対する
散乱光特性が格段に向上され、特性曲線における直線増
加領域を広くし、出力ＩＮか高濃度まで０値近傍に低下
することがなく、その信号レベルが増幅器のドリフト等
の影響をほとんど受けることなく取り出せるものである
。従って、この出力ＩＮを演算回路２５で適正に処理し
て高濃度（５〜６％程度の濃度）の測定を可能なように
するものである。

上述のようにして、演算回路２５で演算処理された出力
信号は、出力回路２７に送られ、ここで所要の出力信号
に代えられ出力されるものである。

Ｈ発明の効果 以」二詳述したように、本発明の懸濁物濃度検出装置に
よれば、検水中に入れられる散乱光比較式の検出部に設
定する光ファイバ体を、その中心部に断面円形状の光源
用光ファイバを配し、その外周部を取り巻くように断面
環状のＮ用光ファイバを同心円状に配し、さらにその外
周部に所定間隔を置いて、断面環状のＦ用光ファイバを
同心円状に配して形成したので、光源として光を投射す
る光源用光ファイバとその散乱２反射された光を受ける
Ｎ用光ファイバとの実質的距離を極めて短縮でき、しか
も、そのＮ用光ファイバを通して得られたＩＮ出力を平
方したものをＦ用光ファイバを通して得られた■、で除
するよう演算処理することによって、汚泥濃度に比例し
た出力を得るようにしたので、汚泥濃度の低いものから
、比較的高濃度のものまで連続的に同一の検出装置によ
って検出可能とするという効果がある。

また、検水や汚泥が着色している場合でも、その影響を
排除して適正な検出を行えるという効果がある。

さらに、このようなコンパクトな光ファイバ体を用いる
ことにより、検出部を小形にすることができるという効
果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の懸濁物濃度検出装置の一例を示す全体
概略構成図、第２図はその検出器部の正面図、第３図は
その検出データの一例を示す線図、第４図は従来の濃度
検出器の一例を示す要部概略構成図、第５図はその実測
データを例示する線図、第６図は従来の濃度検出器の他
の一例を示す概略構成図、第７図はその実測データを例
示する線図である。 ３・検水、４・・光源、５・・受光素子、１０・・・検
出器部、１２・・バンドル光ファイバ体、１３・・・光
源用ハンドル光ファイバ、１４・・・Ｎ用ハンドル光フ
ァイバ、１５　スペーサ、１６・　Ｆ用バンドル光ファ
イバ、２０・・・赤外発光ダイオード。 ダ 第４図 僧Ｎ　ら　Ｍ 第６図 々！　　ワ　　闘 ７Ｎ　　　”　　　　Ｆ−噌 実情］データお■ｚ Ｓ（汚泥集度） ｍ　　／　　Ｖ！４ 笑硬１データ線図 Ｓ（汚、尼、１度）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 直径２ミリメートルの断面円形な光源用光ファイバ（１
   ３）を中心に、当該光源用光ファイバ（１３）と同心円
   状に、内径２ミリメートル、外径２．９ミリメートルの
   断面環状な光源に近いＮ用光ファイバ（１４）を配し、
   さらに、これらの外周部に間隔を置いて同心円状に、内
   径３．５ミリメートル、外径４．１ミリメートルの断面
   環状な光源に遠いＦ用光ファイバ（１６）を配して成り
   、かつ検液中に浸漬される散乱光比較式の検出用頭部１
   １に設置する光ファイバ体（１２）と、上記Ｎ用光ファ
   イバ（１４）を通し、光電変換して得られたＩ＿Ｎ出力
   と、上記Ｆ用光ファイバ（１６）を通し、光電変換して
   得られたＩ＿Ｆ出力とを、上記Ｉ＿Ｎを平方したものを
   上記Ｉ＿Ｆで除するよう演算比較処理をする演算回路（
   ２５）とを具備することを特徴とする懸濁物濃度検出装
   置。